Ubiquitous Computing. Vision, Szenarien und aktuelle Entwicklungen

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1 Weisers Vision

2 Definitionen und Abgrenzungen
2.1 Ubiquitous Computing
2.2 Begrifflichkeiten in der aktuellen Entwicklung

3 Sozio-technische Betrachtung
3.1 Digitalisierung der Realwelt
3.2 Nutzen
3.3 Risiken

4 Anwendungsszenarien und Ausblick

Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Dimensionen des Ubiquitous Computing nach Lyytinen und Yoo

Abbildung 2: Das smarte Produkt und sein Kommunikationsnetzwerk

Abbildung 3: Vernetzung von Objekten in einer UC-Welt

1 Weisers Vision

Selten kann ein visionärer Begriff der Wissenschaft, der dazuhin noch einen Paradigmenwechsel beschreibt, einer einzelnen Person zugeschrieben werden. Wenn auch die Ideen selbst schon viel älter sind¹, der Begriff Ubiquitous Computing (UC) wird heute auf Mark Weiser zurückgeführt. Der 1999 verstorbene, für das Xerox Forschungszentrum (Xerox PARC) arbeitende Informatiker und Wissenschaftler verwendete diesen Begriff bereits 1988² für das gleichnamige Projekt und 1991 in seinem ersten veröffentlichten Aufsatz zu diesem Thema.³

In diesem Aufsatz vergleicht Weiser seine Vision zur Allgegenwärtigkeit (engl. ubiquitous) von Computern mit einer der fundamental wichtigen Errungenschaften der menschlichen Kultur, nämlich die Fähigkeit Informationen unabhängig vom Individuum festhalten und weitergeben zu können, in anderen Worten: Schreiben bzw. Lesen zu können. Diese Fähigkeit ist allgegenwärtig und revolutionär, da sie bereits unsichtbar geworden ist und sich nahtlos in den Alltag einfügt.

Laut Weiser hat der Computer in den letzten Jahrzehnten aber eher den Weg der „dramatischen Maschine“⁴ genommen: ein Objekt, das so interessant ist, dass wir nicht mehr ohne es wollen⁵. Seine Vision sieht im Gegensatz dazu vor, dass Computer als uns unterstützende Rechenmaschine sich in den Alltag eingliedert, ohne dass ein Benutzer über die Interaktion nachdenken muss⁶. Der Mensch wird also wieder ins Zentrum gerückt:

„By pushing computers into the background, … will make individuals more aware of the people on the other ends of their computer links.“⁷

Dieser Vergleich macht deutlich, welches Ausmaß Weisers Vision in Richtung der transparenten⁸ Maschine⁹,¹⁰ hat, wenn man sie in vollem Umfang betrachtet.

2 Definitionen und Abgrenzungen

2.1 Ubiquitous Computing

Da sich mit dem von Weiser geprägten Wort weitere Begriffe entwickelt haben, ist die hinter UC liegende Definition sehr vielschichtig und wird auch nicht immer einheitlich verwendet. Historisch lässt sich UC heute in eine Entwicklung einordnen, die mit den Mainframe-Computern begonnen hat, heute einen Paradigmenwechsel mit einem persönlichen Computer für einen Menschen herbeigeführt hat und morgen viele vernetzte Computer für viele Menschen bereitstellen soll¹¹: „A billion people interacting with a million e-businesses through a trillion interconnected intelligent devices...“¹²

Ebenso spätere Forschungsteams ließen in ihrem Ansatz den Mensch im Zentrum um dessen Umfeld mit technischen Möglichkeiten zu erweitern – nicht umgekehrt¹³.

Weiser selbst sieht „location“ und „scale“ als wichtige Kriterien an, welche die Machbarkeit von UC determinieren¹⁴. Er definiert diese Kriterien als besonders wichtig, da Computer klein sein müssen um durchdringend zu sein und um von Menschen akzeptiert zu werden. Um aber weiterhin funktional sein zu können, müssen sie ihre eigene Position kennen, sowie ihr Verhalten an ihre Umgebung anpassen. Weiser weist aber darauf hin, dass Computer dennoch in verschiedenen Größen vorhanden sein werden: tabs, pads und boards. Weiter spricht er von einer Vielzahl von solchen Objekten, die in jedem Raum eingesetzt werden können¹⁵. Diese Objekte müssen dann vollständig miteinander verbunden sein. Für UC haben sich momentan¹⁶ folgende Eigenschaften durchgesetzt:

Allgegenwart (engl. ubiquitous): jedes erdenkliche Objekt soll einen Mikroprozessor haben und somit eine Allgegenwart von Computern erzeugen mit dem Zweck „jederzeit und allerorts verfügbar, bzw. mobil“¹⁷ zu sein.

Vernetzung (engl. interconnection): Weiser und Brown beschreiben basierend auf der technischen Entwicklung der letzten 50 Jahre erst eine Vernetzung von einzelnen PCs und im UC dann die Vernetzung aller Dinge¹⁸. Dabei sollen sich die Geräte ohne eine nötige administrative Interaktion eines Menschen von alleine vernetzen.

Einbettung (engl. embedded): Krcmar spricht hier von einer „Verschmelzung“, bei der „Computer zum integrativen Bestandteil der physischen Realität werden“¹⁹. Greenfield beschreibt mit embedded, dass die mit Mikroprozessoren versehenen Objekte unaufdringlich in unser Leben eingebettet sein müssen²⁰. Und differenziert dies gleichzeitig von „imperceptible“²¹ (dt.: nicht wahrnehmbar), da die allgegenwärtigen und drahtlos mit einander verbundenen Geräte nicht mehr wahrnehmbar sein dürfen.

Kontextsensitivität (engl. context-sensitivity): Mattern²² spricht hier von smarten Gegenständen, die über integrierte Sensoren ihre Umgebung selbst erfassen und sich daran anpassen, „… which allows intelligent things to decide and act on a decentralized basis“²³. Greenfield erweitert diese Eigenschaft um multiplicity (dt.: Vielseitigkeit), nämlich dann, wenn Objekte sich an den Kontext der gerade gewünschten Funktion anpassen.

Über die genannten Eigenschaften hinaus nennt Krcmar²⁴ noch die „Vermehrung und Spezialisierung“ als wichtige Eigenschaften von UC-Objekten, bei der einzelne Computer nicht mehr Universalgeräte sind, sondern für jede Aufgabe Spezialobjekte vorhanden sind.

Die genannten Eigenschaften fordern eine Kurzdefinition wie von Pipek beschrieben: „Ubiquitous (‚Allgegenwärtiges‘) Computing ist ein Post-Desktop Modell der Mensch-Computer-Interaktion, bei der digitale Informationsverarbeitung in weiten Teilen in Alltagsgegenstände und Alltagspraxen integriert ist.“²⁵ Auch Krcmar versteht UC im Sinne Weisers als „… eine verbesserte Computernutzung durch die allgegenwärtige Bereitstellung von Rechnern in der physischen Umgebung. Die Computer verschwinden weitestgehend aus dem Sichtfeld der Anwender.“²⁶ Auch die im Rahmen der ersten UC Konferenzen aufgezeigten Motivationen, werden meist wie folgt beschrieben: “While in contrast to personal technologies, the motivation for ubiquitous computing is much the same: computing support in all situations of our everyday life, anywhere and anytime.”²⁷.

2.2 Begrifflichkeiten in der aktuellen Entwicklung

Mitte 1990 kam der oft synonym verwendete Begriff des Pervasive Computing (dt.: durchdringend) auf, der nach Ansicht von Satyanarayanan deckungsgleich zu UC ist.²⁸ Friedemann Mattern weist jedoch auf den Unterschied zwischen akademisch-idealistischer und industrieller Weise hin. Dabei wird die akademische Definition eher als utopische Vision wahrgenommen, eben jenes von Weiser geprägtes UC, während sich die industrielle Ansicht auf eine kurzfristige Machbarkeit als Ziel stützt und unter dem Namen Pervasive Computing bekannt wurde.²⁹ Weiser war möglicherweise selbst nicht zufrieden mit seiner Wortwahl, wenn man den letzten Paragraph aus seinem ersten Essay wörtlich nimmt³⁰: “Sitting back and reading the paragraph, Sal wants to point to a word. … ‘I think it’s this term ubiquitous. It’s just not in common enough use and makes the whole passage sound a little formal.’ ”³¹.

Ein weiterer Begriff, der Ende der 90er aufkam ist der vom europäischen Forschungsprogramm Information Society Technology (IST) geprägte Begriff Ambient Intelligence (AmI). Diese Vision ist eine Verschmelzung des Begriffs UC sowie allgegenwärtiger Kommunikation und intelligenter benutzerfreundlicher Schnittstelle³². Kritisch zu betrachten bei dieser Visionsdefinition ist, dass UC selbst auf den beiden letzten Kriterien basiert: im Sinne der drahtlosen Vernetzung und durch eine unbemerkbare Einbettung daher ebenso eine benutzerfreundliche Schnittstellen fordert. Auch die IST Advisory Group fordert eine stärkere Auseinandersetzung mit dem Begriff³³ und differenziert AmI von Pervasive Computing dadurch, dass AmI einen benutzerorientierten anstatt eines technologischen Ansatz bevorzugt: „User-pull“ statt „technology push“.³⁴ Ein im Zusammenhang mit dem IST stehender Begriff ist Intelligent Environments, welcher sich als Funktion sieht, die Vision des AmI zu verwirklichen³⁵.

Ein Teilaspekt des UCs ist der Bereich des Mobile Computing, bzw. meist synonym verwendeten Nomadic Computing. Hier liegt der Fokus laut Forman und Zahorjan auf Kommunikation, Mobilität und Portabilität.³⁶ Lyytinen und Yoo differenzieren Mobile Computing anhand der geringeren Einbettung vom Ubiquitous Computing³⁷ und argumentieren für eine Abgrenzung des Forschungsbereichs Nomadic Computing vom Mobile Computing, da dies weder das Design im Großen noch die Integration in vorhandene Systeme betrachtet.³⁸

Weiser grenzt bereits in seinen ersten Texten UC von der „Virtual Reality“ (VR) ab. VR sei ein von Computern gestütztes Abbild der Welt, in das der Mensch übertragen wird. Somit also ein vereinfachtes Modell der Wirklichkeit darstellt und dabei die ausgrenzt, die die Brille, die zum Betrachten nötig ist, nicht tragen.³⁹ Seine Vorstellung von UC steht VR diametral gegenüber⁴⁰ und fordert eine unsichtbare, bzw. transparente Bereicherung der jetzigen Welt. Er prägt dabei den Begriff „Embodied Virtuality“, wobei er mit Virtualität, die Virtualität digitaler Daten bezeichnet. Barfield und Caudell, Letzterer gilt als Wortschöpfer der Augmented Reality (AR), setzen VR und AR in Bezug, da bei beiden sehr wenig Mobilität (3-4m) auf Grund der kabelgebundenen Verbindung zum Computer, gewährleistet ist. Der Unterschied der beiden Forschungsrichtungen liegt darin, dass VR eine komplette Simulation der Realwelt darstellt, wohingegen AR die Realwelt um virtuelle Projektionen erweitert. Basierend auf den Ideen des Mobile Computing hat sich mit Blick auf AR der Zweig des Wearable Computing entwickelt, der als Objekt/Brille beschrieben wird, welches nicht mehr per Kabel, sondern per Funk mit einer Informationsquelle verbunden ist, und immer von überall auf die benötigte Information zurückgreifen kann.⁴¹

Einer der neusten Begriffe im Umfeld des UC ist der vom ehemaligen Nokia Chef-Designer Adam Greenfield durch sein gleichnamiges Buch geprägte: Everyware⁴², in dem er den Paradigmenwechsel des UCs diskutiert ohne auf technische Details einzugehen.

Abbildung 1: Dimensionen des Ubiquitous Computing nach Lyytinen und Yoo37

Zusammenfassend und als kurzen Überblick über die genannten Begriffe dient Abbildung 1: Dimensionen des Ubiquitous ComputingAbbildung 1: Dimensionen des Ubiquitous Computing, in der zwischen Level der Einbettung und Level der Mobilität unterschieden wird. Dabei wird UC als Bereich mit sehr hoher Einbettung sowie sehr hoher Mobilität klassifiziert im Gegensatz zum Pervasive Computing bzw. Mobile Computing, die eine geringe Mobilität, bzw. eine geringe Einbettung vorweisen.

Eine weitere Unterscheidung nimmt Ronzani über die Analyse von Zeitungsartikeln vor und ordnet die drei Begriffe bestimmten Schlagwörtern zu. Dabei fällt UC eher in den geschäftlichen Bereich, während Pervasive Computing mehr in Kombination mit Netzwerken und AmI eher in Kombination mit Sensoren und smarten Objekten verwendet wird.⁴³ Dennoch kommt er zu dem Schluss, dass solche Unterschiede im täglichen Gebrauch unwichtig erscheinen.⁴⁴ Zu diesem Schluss kommen auch Bell und Dourish, die aufzeigen, dass 25% aller Artikel der Ubicomp Konferenzen zwischen 2001 und 2005 mindesten einen Artikel von Weiser zitieren⁴⁵ und argumentieren damit, dass Weisers Idee des UC eine Allgegenwärtige ist. Jedoch kritisieren sie auch, dass es eine Vision der Zukunft von Gestern sei, die entweder bereits eingetreten ist – nur nicht in der vorhergesagten Form – oder nie eintreten wird.⁴⁶ Letzteres bestätigen wiederrum Melcher et al., die überzeugt sind, dass Weisers Vision als Utopie nie erreicht werden wird.⁴⁷

3 Sozio-technische Betrachtung

Wenn nun die im letzten Kapitel beschriebenen Visionen als wünschenswertes Ziel erachtet werden, dann muss darauf folgend der Weg dorthin beschrieben werden. Schon Weiser sind die technischen Schwierigkeiten, die seine Vision hervorrufen bewusst.⁴⁸ Lyytinen und Yoo weisen desweiteren auch auf die sozialen und organisatorischen Herausforderungen hin.⁴⁹ Im Folgenden werden die aktuelle technische Entwicklung sowie die allgemeine Akzeptanz heutiger UC-Services aufgezeigt. Akzeptanz wird im Sinne Spiekermanns verwendet, die Akzeptanz als Intention sieht etwas zu kaufen, bzw. zu benutzen.⁵⁰

3.1 Digitalisierung der Realwelt

Das heute als Mooresche Gesetz⁵¹ bekannte, alle 18 Monate verdoppelt sich die Rechenkapazität, sowie die Entwicklung von energieeffizienten Mikroprozessoren und den Ergebnissen der Nanotechnik machen den Einsatz von allgegenwärtigen, nahezu unsichtbaren Computern erst möglich.⁵² Aber egal in welche Richtung geforscht wird, eine Annahme ist immer gemeinsam: die allgegenwärtigen Computer müssen in der Lage sein, Aktionen in der Realwelt aufnehmen, verarbeiten und weitergeben zu können. Dieses Konzept wird im Folgenden unter der Digitalisierung der Realwelt verstanden und wurde 1999 von Ashton unter dem Namen „The Internet of Things“ bekannt gemacht.⁵³ Vorangetrieben durch die Entwicklung von Strich-Barcodes in den 70ern zur eindeutigen Identifizierung von Objekten, über die Entwicklung von zwei-dimensionalen Barcodes, wurden später Radio-Frequency Identification (RFID) Chips entwickelt. Diese können mehr Informationen speichern und sind gleichzeitig unabhängig von optischen Lesegeräten. Anfangs war die dahinterliegende Idee Güter berührungslos durch Warenumschlagsplätze transportieren zu können.⁵⁴

Desweiteren wurden Aktoren (auch: Aktuatoren) entwickelt, die in der Lage sind, eigenständige Handlungen einzuleiten, bzw. Sollgrößen vorzugeben. Kombiniert man nun RFID-Chips mit Aktoren und Mikrochips hat man ein sogenanntes Mikrosystem (engl. Microelectromechanical systems (MEMS)), die bis zu 0,02mm klein sein können⁵⁵. Goldstein⁵⁶ beschreibt ein Szenario, bei dem Mikroroboter, welche nicht autonom sind, in einem Netzwerk zusammenarbeiten und eine synthetische Oberfläche („Synthetic Reality“) erzeugen.

Die genannten Entwicklungen beziehen sich bisher nur auf den Hardwarebereich, der jedoch weitere Entwicklungen im Netzwerk- wie im Softwarebereich fordert. So hat sich das TCP/I-Protokoll in seiner letzten Version (v6) soweit entwickelt, dass mehr als 1000 Adressen pro Quadratmeter vergeben werden können⁵⁷. Aber auch wenn für IPv4 die letzten Adressen bereits vergeben wurden⁵⁸, klingt Weisers Forderung in Bezug auf IPv6 immer noch sehr futuristisch: „We need them all.“⁵⁹.

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¹ vgl. Bell und Dourish (2006) S. 133.

² vgl. Weiser (1993a) S. 75.

³ vgl. Weiser (1991) S. 94ff.

⁴ Weiser (1996), Ubiquitous Computing, speziell #2; URL siehe Literaturverzeichnis.

⁵ vgl. Weiser (1993b) S. 71.

⁶ vgl. Weiser (1994) S. 7.

⁷.Weiser (1991) S. 103.

⁸ vgl. Transparenz in der objektorientierten Programmierung.

⁹ vgl. Brown (2001) S. 86ff.

¹⁰ vgl. Taubes (2000), Transparent Computing, IBM Think Research, URL siehe Literaturverzeichnis.

¹¹ vgl. Castells (2009) und Weiser (1993b).

¹² IBM Chairman Lou Gerstner in Hansmann et al. (2001) S. 1.

¹³ vgl. MIT Oxygen Project und Ishii et. al (1995), URLs siehe Literaturverzeichnis.

¹⁴ Weiser (1991) Seite 5.

¹⁵ vgl. Weiser (1991) Seite 5.

¹⁶ vgl. Fleisch (2010) und Fleisch (2001) S. 3, Gellersen (2000), Greenfield (2006a), Koch & Schlichter (2001), Koch & Schlichter (2001), Krcmar (2010) S. 504 ff, Mattern (2001), Mattern (2003), Melcher et al. (2008) S. 165ff, Lyytinen & Yoo (2002a).

¹⁷ Melcher et al. (2008) S. 165.

¹⁸ vgl. Weiser und Brown (1996).

¹⁹ Krcmar (2010) S. 507.

²⁰ Greenfield (2006a) S. 21.

²¹ vgl. Vorlesung von Greenfield (2006b) über Everyware, min. 5:50, URL siehe Literaturverzeichnis.

²² vgl. Mattern (2003) S. 20f.

²³ Fleisch (2001) S.4.

²⁴ vgl. Krcmar (2010) S. 507.

²⁵ Pipek (2011).

²⁶ Krcmar (2010) S. 506.

²⁷ vlg. HUC 99, aims and scope, URL siehe Literaturverzeichnis.

²⁸ vgl. Satyanarayanan (2002) S. 3.

²⁹ vgl. Mattern (2004) S. 1.

³⁰ vgl. Satyanarayanan (2002) S. 3.

³¹ Weiser (1991) S. 102.

³² vgl. IST-AG (1999) S.2.

³³ vgl. IST-AG (2003) S. 12.

³⁴ IST-AG (2003) S. 6.

³⁵ vgl. Minker und Weber (2009) S. xvii.

³⁶ vgl. Forman und Zahorjan (1994) S.38.

³⁷ Lyytinen und Yoo (2002a) S. 64 und ebenda Abbildung: Dimensions of Ubiquitous Computing.

³⁸ Lyytinen und Yoo (2002b) S. 379f.

³⁹ vgl. Weiser (1991) S. 103.

⁴⁰ vgl. Weiser (1991) S. 94.

⁴¹ vgl. Barfield und Caudell (2001b) S. 6ff.

⁴² vgl. Greenfield (2006).

⁴³ vgl. Ronzani (2000) S. 13ff.

⁴⁴ vgl. ebenda S. 16.

⁴⁵ vgl. Bell & Dourish (2006) S. 133.

⁴⁶ vgl. ebenda S. 135.

⁴⁷ vgl. Melcher et al. (2008) S. 177.

⁴⁸ vgl. Weiser (1993a) S. 78ff.

⁴⁹ vgl. Lyytinen und Yoo (2002a) S. 64.

⁵⁰ vgl. Spiekermann (2008) S. 14.

⁵¹ vgl. Moore (1965).

⁵² vgl. Brown (2001), Lyytinen und Yoo (2002b), Lyytinen und Yoo (2002a) sowie Mattern (2004).

⁵³ Ashton (2009), URL siehe Literaturverzeichnis.

⁵⁴ vgl. Mattern et al. (2010) S. 108.

⁵⁵ vgl. Poslad (2009) Kapitel 6.4.2.

⁵⁶ vgl. Goldstein et al. (2005).

⁵⁷ vgl. Coulouris et al. (2002), S. 129.

⁵⁸ vgl. ICANN (2011), URL siehe Literaturverzeichnis.

⁵⁹ Weiser (1996).